供熱一次管網(wǎng)的水力平衡與優(yōu)化配置

孫浩

（太原市第二熱力有限責任公司，山西 太原 030000）

0 引言

2021 年10 月12 日，住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《2020年城市建設統(tǒng)計年鑒》和《2020 年城鄉(xiāng)建設統(tǒng)計年鑒》，公布了1981—2020 年全國歷年城市集中供熱情況以及2000—2020 年全國歷年縣城集中供熱情況。截至2020年底，全國集中供熱面積達約122.66 億m2，較2019 年增長約7.8 億m2，增長率約6.8%；其中城市集中供熱面積達98.82 億m2，縣城集中供熱面積達18.57 億m2，建制鎮(zhèn)、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)鄉(xiāng)級特殊區(qū)域共約5.27 億m2。

供熱管網(wǎng)形式枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)，枝狀管網(wǎng)因結(jié)構(gòu)簡單、造價低，應用比較廣泛，一般都是在熱遠處設置1 套主循環(huán)泵，克服熱源、管網(wǎng)和用戶的阻力。因近遠端壓力相差較大很難通過設計就能達到管網(wǎng)的平衡，一般都要借用管網(wǎng)末端的調(diào)節(jié)設備，消耗掉多余的壓差，達到支線之間的水力平衡[1-2]。為解決水力不平衡的問題，設計和運行中都采用“小溫差大流量”的運行模式，使近端室內(nèi)溫度降低，遠端室內(nèi)溫度升高，其本質(zhì)是降低近端供水溫度，提高遠端供水流量的方法，把近端多余的熱量送到遠端。當循環(huán)流量無限增加的時候，理論上可以使近遠端的室溫達到一致，消除掉水力不平衡引起的近端熱，遠端冷的問題。

“小溫差大流量”的運行模式也會帶來很多弊端，需要增加水泵的循環(huán)流量，也要提高熱源的供熱能力，同時也會造成能耗加大，相應的增加熱源、管網(wǎng)及末端散熱設備的投資。

1 水力計算的作用

管網(wǎng)的水力計算主要可以解決以下3 個問題：①根據(jù)管網(wǎng)的流量和壓力損失，確定管網(wǎng)的管徑。②根據(jù)管網(wǎng)的流量和管道規(guī)格，計算出管網(wǎng)的壓降。③根據(jù)管網(wǎng)的規(guī)格和壓力損失，計算出管網(wǎng)輸送的流量。通過以上的水力計算，還可以確定管路循環(huán)水泵的流量和揚程[3]。

水力計算通過仿真模擬進行水力工況的分析，可以通過改變流量、壓力、管徑、閥門開度等，得到條件變化后的各節(jié)點的水力工況參數(shù)的變化。其管網(wǎng)的水力計算可以起到以下作用。

（1）優(yōu)化管網(wǎng)調(diào)節(jié)。輸入運行參數(shù)，分析管網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)在各種工況下受到的影響；調(diào)整運行參數(shù)，加強管網(wǎng)的傳輸能力和傳輸穩(wěn)定性，通過對水力工況的分析結(jié)果，找到改善水力工況的有效措施，使管網(wǎng)高效運行，服務質(zhì)量得到進一步提高。

多熱源及環(huán)網(wǎng)計算，根據(jù)負荷的變化，可以確定各個熱源投運的方案，既要滿足各個熱源運行參數(shù)的匹配，更要考慮運行的安全性和經(jīng)濟性。

（2）提高運行管理水平。隨著管網(wǎng)系統(tǒng)流量的改變，管網(wǎng)的運行參數(shù)也會跟著變化，這就是供熱系統(tǒng)的動態(tài)變化，還有一種情況，當管路中某個分支阻力變化時，會影響其他分支的流量，這就是管網(wǎng)之間的耦合作用，相互干擾，相互影響。如果系統(tǒng)中沒有安裝適應管路變化的動態(tài)調(diào)控設備，這種相關干擾的先天問題，是無法解決的，故針對系統(tǒng)運行和調(diào)節(jié)的特點，需要就地安裝適用的調(diào)節(jié)設備。

根據(jù)氣象預報及實際負荷等信息，進行供熱負荷預測，確定經(jīng)濟合理的運行方案，進行科學的調(diào)度運行。

隨著室外氣溫的變化，用戶的熱負荷也跟著變化，由熱負荷確定對應的熱源的供回水溫度、水流量、供回水壓力等，由原來的吃大鍋飯的供熱模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榘葱韫幔瑥亩档瓦\行成本[2]。

（3）提高管網(wǎng)的安全性和可靠性。水力工況采用仿真模擬，可以有效的解決各種工況下水擊問題，從而提高管網(wǎng)的可靠性和安全性，避免管網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的安全事故。

（4）為智慧供熱提供基礎支持。目前供熱行業(yè)進入第四代階段，供熱系統(tǒng)采用智慧控制，通過分析歷史數(shù)據(jù)，從而搭建室外氣溫與熱源、熱力站及熱用戶的相關數(shù)字模型，在滿足供熱舒適性的基礎上，可以根據(jù)室外氣溫的變化，確定熱源和熱力站的供熱參數(shù)。

2 水力平衡分析的基本功能

2.1 新建管網(wǎng)的規(guī)劃和設計

在新建管網(wǎng)時，可以根據(jù)供熱面積、建筑類型、經(jīng)濟流速等確定管網(wǎng)的布置及選擇合適的管道規(guī)格。

2.2 熱力管網(wǎng)的運行工況分析及問題診斷

通過管網(wǎng)的水力工況模擬，可以知道管網(wǎng)運行的相關參數(shù)，分析不熱用戶相關管段存在的問題，通過調(diào)整運行工況，尋求解決不熱問題的最佳方案，從而達到改善管網(wǎng)水力工況，提高供熱質(zhì)量的目的。讓供熱運行管理有了千里眼和順風耳，科學合理的去解決運行中的問題。

2.3 制定熱網(wǎng)改造方案

在供熱系統(tǒng)中經(jīng)常遇到擴網(wǎng)的問題，如果管網(wǎng)建設初期沒有考慮預留，尤其在管網(wǎng)的末端經(jīng)常出現(xiàn)管網(wǎng)供熱能力不足的問題，為解決這一問題，水力工況模擬，通過模擬不同解決方案的水力工況分析，可以制定出經(jīng)濟合理的改造方案，從而降低改造成本。

2.4 提高運行管理水平

根據(jù)室外氣溫及熱負荷情況，指定經(jīng)濟合理的供熱運行方案，科學合理的指導熱源的供熱負荷、供熱參數(shù)，從而科學合理的提高運行管理水平。

2.5 降低能源消耗，節(jié)約運行費用

由“看天吃飯”改為“按需供熱”實現(xiàn)精細化、精準供熱，避免過熱浪費，從而有效控制運行成本，節(jié)約能源，達到節(jié)能減排的目的[4]。

3 工程案例

3.1 工程概況

某市區(qū)域集中供熱共有熱力站32 座，規(guī)劃供熱能力270.72 萬m2，實際供熱面積156.1 萬m2，一網(wǎng)流量約2411t/h，定流量運行。

運行存在的問題：近幾年隨著不斷的擴網(wǎng)，末端出現(xiàn)了不熱的現(xiàn)象，為解決末端不熱問題，設置一次網(wǎng)回水加壓泵加大末端熱力站一次網(wǎng)水流量的循環(huán)，但仍有供熱效果不佳的問題，為了徹底解決問題，今年對一次網(wǎng)系統(tǒng)進行了水力工況分析，解決管網(wǎng)管徑不足和一次網(wǎng)回水加壓泵優(yōu)化配置的問題。把傳統(tǒng)的“殺富濟貧”的硬平衡調(diào)節(jié)方式改變成“各取所需”的軟平衡調(diào)節(jié)方式，可以實現(xiàn)立竿見影的調(diào)節(jié)效果。

分布式變頻泵技術是針對具有多個管網(wǎng)分支環(huán)路的熱力站供熱系統(tǒng)，在每個分支環(huán)路配置循環(huán)泵取代一次網(wǎng)集中循環(huán)泵的工藝方案。它徹底改變了一次網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)的困難現(xiàn)狀，能夠較好的解決科學供熱、節(jié)能供熱的基礎難題，由原來的閥門節(jié)流調(diào)節(jié)變?yōu)榉植际阶冾l泵的變頻調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)效果和節(jié)能上都有明顯的作用。

3.2 水力工況分析結(jié)果

主要對管網(wǎng)的壓力、流量、比摩阻、流速、壓差等進行了計算，見表1~表5。模擬熱源參數(shù)：供熱量、流量、標高、水溫等都是按照管網(wǎng)實際運行工況進行水力工況分析。

表1 熱源信息

表2 管網(wǎng)總體情況

表3 壓差最小的10 個站統(tǒng)計

表4 比摩阻最大的10 根管道統(tǒng)計

表5 熱力站信息

3.3 一次網(wǎng)回水加壓泵選型

循環(huán)泵2 用1 備，流量1134m3/h，揚程為63m，熱 源廠阻力按20m 考慮，熱力站阻力按10m 考慮，熱力站資用壓差不能完全克服管道阻力時，通過增加一次網(wǎng)回水加壓泵客服多余的管道阻力，水力計算結(jié)果提供了一次網(wǎng)回水加壓泵的揚程，加壓泵的流量根據(jù)熱負荷計算。加壓泵選型參數(shù)如表6 所示。

表6 一次網(wǎng)回水加壓泵選型參數(shù)

4 結(jié)語

（1）通過水力工況分析可以得出熱力站資用壓差不滿足的，通過增加一次網(wǎng)回水加壓泵客服多余的管道阻力，水力計算結(jié)果為一次網(wǎng)回水加壓泵揚程的選擇提供了理論依據(jù)。

（2）通過管網(wǎng)比摩阻計算，可以找到管網(wǎng)比摩阻較大的管段，為今后的優(yōu)化改造提供依據(jù)。

（3）實際運行參數(shù)計算結(jié)果有較大出入時，通過計算結(jié)果還能分析出管網(wǎng)中那段管網(wǎng)異常，可能發(fā)生堵塞的問題。

（4）經(jīng)過一個采暖季的運行，證明水力工況分析結(jié)果與實際運行吻合，達到了優(yōu)化配置，指導運行的作用。